Il s'agit d'une image à résolution atomique de nanoparticules de tellurure de germanium du microscope électronique TEAM I de Berkeley Lab au Centre national de microscopie électronique. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation du Lawrence Berkeley National Laboratory
Une nouvelle prometteuse pour ceux qui apprécient les perspectives d'une puce d'un pouce stockant plusieurs téraoctets de données, une certaine clarté a été apportée à la physique jusqu'ici confuse des nanomatériaux ferroélectriques. Une équipe multi-institutionnelle de chercheurs, dirigé par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a fourni les premières informations à l'échelle atomique sur les propriétés ferroélectriques des nanocristaux. Ces informations seront essentielles pour le développement de la prochaine génération de dispositifs de stockage de données non volatiles.
En travaillant avec le microscope électronique à transmission le plus puissant au monde, les chercheurs ont cartographié les distorsions structurelles ferroélectriques dans les nanocristaux de tellurure de germanium, un semi-conducteur, et titanate de baryum, un isolant. Ces données ont ensuite été combinées avec des données d'imagerie de polarisation holographique électronique pour fournir des informations détaillées sur les structures de polarisation et les limites d'échelle de l'ordre ferroélectrique à l'échelle nanométrique.
« Alors que nous réduisons la technologie de nos appareils de l'échelle microscopique à l'échelle nanométrique, nous avons besoin de mieux comprendre comment les propriétés critiques des matériaux, comme le comportement ferroélectrique, sont impactés, " dit Paul Alivisatos, directeur du Berkeley Lab et l'un des principaux chercheurs de cette recherche. "Nos résultats fournissent une voie pour démêler la physique fondamentale de la ferroélectricité à l'échelle nanométrique aux plus petites échelles de taille possible."
Alivisatos, qui est également professeur Larry et Diane Bock de nanotechnologie à l'Université de Californie (UC) Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail dans la revue Matériaux naturels intitulé "Ordre ferroélectrique dans des cristaux individuels à l'échelle nanométrique." L'autre auteur correspondant est Ramamoorthy Ramesh, un scientifique principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le professeur Plato Malozemoff de science des matériaux et de physique à l'UC Berkeley.
Il s'agit d'une image holographique électronique de nanoparticules de titanate de baryum du Brookhaven National Laboratory. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire national de Brookhaven
La ferroélectricité est la propriété par laquelle les matériaux peuvent être polarisés électriquement, ce qui signifie qu'ils seront orientés en faveur d'une charge électrique positive ou négative. Cette polarisation peut être inversée avec l'application d'un champ électrique externe, une propriété qui pourrait être exploitée pour le stockage de données non volatiles, similaire à l'utilisation de matériaux ferromagnétiques aujourd'hui mais en utilisant beaucoup plus petit, des appareils beaucoup plus denses.
"Bien que de nombreux progrès aient été réalisés dans la compréhension des propriétés magnétiques photophysiques et autres propriétés fonctionnelles à l'échelle nanométrique, la compréhension de la physique fondamentale des nanomatériaux ferroélectriques reste beaucoup moins avancée, " dit le co-chercheur principal Ramesh, qui attribue des rapports contradictoires sur la ferroélectricité à l'échelle nanométrique en partie au manque de haute qualité, des nanocristaux de matériaux ferroélectriques qui présentent des tailles bien définies, formes et surfaces.
"Un autre problème a été le recours à des mesures d'ensemble plutôt qu'à des techniques de particules uniques, ", dit-il. "Les techniques de mesure de moyenne statistique ont tendance à masquer les mécanismes physiques responsables des changements profonds du comportement ferroélectrique au sein des nanocristaux individuels."
L'équipe de recherche dirigée par Berkeley Lab a pu cartographier les distorsions structurelles ferroélectriques au sein de nanocristaux individuels grâce aux capacités sans précédent de TEAM I, qui est hébergé au Centre national de microscopie électronique (NCEM) de Berkeley Lab. TEAM signifie "Transmission Electron Aberration-corrected Microscope". L'ÉQUIPE I peut résoudre des images de structures avec des dimensions aussi petites qu'un demi-angström – moins que le diamètre d'un seul atome d'hydrogène.
Les cartes produites à TEAM I des motifs de distorsion ferroélectrique au sein des nanocristaux de tellurure de germanium hautement conducteurs ont ensuite été comparées à des études d'holographie électronique de nanocubes isolants de titanate de baryum, qui ont été réalisées par des collaborateurs du Brookhaven National Laboratory (BNL).
"L'holographie électronique est une technique d'interférométrie utilisant des ondes électroniques cohérentes, " a déclaré le physicien du BNL et co-auteur du Matériaux naturels papier Myung-Geun Han. "L'envoi d'ondes électroniques focalisées à travers l'échantillon ferroélectrique crée ce qu'on appelle un déphasage, ou un motif d'interférence qui révèle les détails de la structure ciblée. Cela produit un hologramme électronique, que nous pouvons utiliser pour voir directement les champs électriques locaux de nanoparticules ferroélectriques individuelles."
Ces études combinées ont permis l'examen indépendant des influences du champ dépolarisant et de la structure de surface et ont ainsi permis à l'équipe de recherche d'identifier les facteurs fondamentaux régissant la nature de l'état polarisé ferroélectrique aux dimensions finies. Les résultats indiquent qu'un état ferroélectrique monodomaine à polarisation ordonnée linéairement reste stable dans ces nanocristaux jusqu'à des dimensions inférieures à 10 nanomètres. Aussi, l'inversion de polarisation à température ambiante a été démontrée jusqu'à des dimensions d'environ cinq nanomètres. En dessous de ce seuil, le comportement ferroélectrique a disparu. Cela indique que cinq nanomètres est probablement une limite de taille pour les applications de stockage de données, déclarent les auteurs.
"Nous avons également montré que la cohérence ferroélectrique est facilitée en partie par le contrôle de la morphologie des particules, qui, avec les conditions aux limites électrostatiques, détermine l'étendue spatiale des distorsions ferroélectriques coopératives, " dit Ramesh. " Pris ensemble, nos résultats donnent un aperçu des manifestations structurelles et électriques de la ferroélectricité jusqu'à ses limites ultimes."
